一种可拉伸柔性电子器件的制作方法与流程

本发明属于柔性电子领域，具体涉及一种可拉伸柔性电子器件的制作方法。

背景技术：

柔性电子器件以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。常规的柔性电子器件制作步骤繁多，工艺复杂，使得其在大规模生产和推广中存在诸多限制。

目前，柔性电子器件的制作方法主要有以下几种：Feng X等(Feng X,Meitl M A,Bowen A M,et al.Competing fracture in kinetically controlled transfer printing.Langmuir,2007,23:12555–12560)采用具有黏弹性的聚二甲基硅氧烷，即PDMS作为转移印章，通过控制印章的剥离速度来实现器件的转移印刷，该方法已成为目前可延展柔性器件的常规制备方法。Kim等(Kim S,Wu J A,Carlson A,et al.Microstructured elastomeric surfaces with reversible adhesion and examples of their use in deterministic assembly by transfer printing.Proc Natl Acad Sci USA,2010,107:17095–17100)采用了基于微结构的转印方法，此方法将传统印章替换为具有凸起微结构的表面的软印章(如金字塔结构)，通过增加转印过程中界面黏附的调控来提高转移印刷的成功率。Saeidpourazar等(Saeidpourazar R,Li R,Li Y,et al.Laser-driven micro transfer placement of prefabricated microstructures.J Microelectromech Syst,2012,21:1049–1058)利用不同材料受热后会因为热失配而变形提出了用激光驱动的转印方法，采用脉冲激光对芯片进行加热，从而使界面处发生脱黏。Eisenhaure等(Eisenhaure J D,Rhee S I,Al-Okaily A A M,et al.The use of shape memory polymers for microassembly by transfer printing.J Microelectromech Syst,2014,23:1012–1014)用形状记忆聚合物印章替换传统的PDMS印章，目前已成功实现了硅片的转印。然而，上述的转移方法一方面需要控制剥离速率，或需要复杂的仪器及化学药品作为辅助；另一方面上述方法均需要在样品上制作牺牲层，工艺较复杂，不适合大规模的工业推广。因此，提出一种更简单方便快捷的柔性电子器件的制作方法显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种简单快捷的可拉伸柔性电子器件的制作方法，有效解决了传统柔性电子器件制作过程中需要制作牺牲层、转印质量难以控制、不利于大规模工业化生产等问题。本发明采用热释放胶带代替传统印章，不需要在样品上制作牺牲层，通过对转移过程中温度的控制可实现超薄柔性器件的转移印刷，且该方法不会破坏柔性电子器件的结构，可实现卷对卷的柔性电子工业生产方式。

本发明的技术方案如下：

一种可拉伸柔性电子器件的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：在刚性基底上制作图形化的柔性介质/金属交替形成的多层结构；

步骤2：在步骤1得到的多层结构上粘附热释放胶带，然后剥离，即可将步骤1得到的多层结构转移到热释放胶带上；

步骤3：将步骤2得到的带多层结构的热释放胶带粘附于可拉伸基底上，加热使热释放胶带的黏性消失，去除热释放胶带，即可得到可拉伸柔性电子器件。

进一步地，步骤1所述刚性基底为石英、玻璃、SiO₂/Si或蓝宝石，所述刚性基底的轮廓算术平均偏差Ra＝0.006～0.02，微观不平度十点高度Rz＝0.05～0.1。

进一步地，步骤1所述刚性基底在使用前需经过如下的前处理过程：首先依次在酒精和丙酮溶液中清洗刚性基底，然后将清洗后的刚性基底在烘台上100℃加热2～3min。

进一步地，步骤1所述柔性介质为聚酰亚胺等，采用甩胶法制备得到，甩胶速度为2000～8000RPM。

进一步地，步骤2所述热释放胶带为加热后黏性消失的胶带，具体品牌为日东电工热释放胶带、中国微晶热释放胶带、深圳科宏健热剥离胶带、海思科技热剥离胶带、深圳一中科技热剥离胶带或美国半导体设备公司热释放胶带等。

进一步地，步骤3所述可拉伸基底为杨氏模量为10kPa～10MPa的高分子固化物或蚕丝蛋白膜，具体为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Ecoflex(脂肪族芳香族无规共聚酯)、PU(聚亚安酯)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PVA(聚乙烯醇)等。

进一步地，步骤3所述加热的温度为90～120℃。

优选地，步骤1所述图形化的柔性介质/金属交替形成的多层结构为如图1所示的柔性介质/金属/柔性介质形成的3层电极结构，包括电极阵列、蛇形金属互连线和导电触片阵列，所述电极阵列和导电触片阵列由相应的蛇形金属互连线连接，如图2所示。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的可拉伸柔性电子器件的制作方法简单易行，成本低，其卷对卷的转移印刷技术易于实现柔性电子大规模工业化生产。

2、本发明方法制备得到的可拉伸柔性电子器件，其线宽尺寸在微米和纳米量级，厚度极薄，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景。

3、本发明首先依次在酒精和丙酮溶液中清洗刚性基底，然后将清洗后的刚性基底在烘台上100℃加热2～3min后，再在其上制作电子器件，刚性基底的前处理过程能明显改善底层聚酰亚胺与刚性基底的黏附性，易于甩胶成膜。

4、本发明选用粗糙度较高的刚性基底(表面粗糙度轮廓算术平均偏差Ra＝0.006～0.02、微观不平度十点高度Rz＝0.05～0.1)，保证了底层聚酰亚胺成膜的稳定性和均匀性。

5、若选用硬质高透明亚克力板(有机玻璃PMMA)作为刚性基底，发现底层聚酰亚胺虽然能甩胶成膜，但由于亚克力板与底层聚酰亚胺黏附力太强，使得器件无法用热释放胶剥离下来；若选用硬质聚四氟乙烯板(PTFE)作为刚性基底，发现底层聚酰亚胺无法在其上甩胶成膜。本发明采用石英、玻璃、SiO2/Si或蓝宝石作为刚性基底，既能保证底层聚酰亚胺在刚性基底成膜，又能保证器件可以用热释放胶带剥离下来。

附图说明

图1为本发明实施例的可拉伸柔性电子器件的结构示意图；其中，1为最上层的聚酰亚胺层，2为中间的金属层，3为最底层的聚酰亚胺层，4为PDMS可拉伸基底。

图2为本发明实施例可拉伸柔性电子器件的俯视图；其中，4为PDMS可拉伸基底，5为3*3的电极阵列，6为蛇形金属互连线，7为9个金属的导电触片。

图3为本发明实施例可拉伸柔性电子器件中柔性电极的结构及参数尺寸图。

图4为本发明实施例可拉伸柔性电子器件的制备流程示意图。

图5为本发明实施例的可拉伸柔性电子器件在不同拉伸程度下的光学显微镜图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

如图1所示，为本发明实施例的可拉伸柔性电子器件的结构示意图；包括自下而上依次层叠的PDMS可拉伸基底4、最底层的聚酰亚胺层3、中间的金属层2和最上层的聚酰亚胺层1，最底层的聚酰亚胺层3、中间的金属层2和最上层的聚酰亚胺层1即为图形化的柔性介质/金属/柔性介质构成的3层电极结构。该图形化柔性电极包括3*3的电极阵列、蛇形金属互连线和9个金属的导电触片，其中，3*3的电极阵列和9个金属的导电触片由9条蛇形金属互连线连接，如图2所示。然后，将3*3的电极阵列与待测动物器官及组织接触，以实现生物信号实时测量；将9个导电触片与ACF(异方性导电胶膜)或斑马纸排线连接，以实现柔性器件与多参数监测仪或脑电图仪之间的信号传输。

进一步地，所述最上层的聚酰亚胺层1的厚度为0.5～2μm，中间的金属层2的厚度为50～200nm，最底层的聚酰亚胺层3的厚度为0.5～2μm。

图3为本发明实施例可拉伸柔性电子器件中柔性电极的结构及参数尺寸图；其中，L₁＝3.65mm，L₂＝3.69mm，L₃＝0.5mm，L₄＝1.8mm，W₁＝0.1mm，D₁＝0.4mm，R₁＝0.1mm，R₂＝0.2mm。

进一步地，所述图形化的柔性介质/金属/柔性介质的3层结构电极先制作在刚性基底上，然后通过热释放胶带将电极结构从刚性基底上完全剥离，再将带电极结构的热释放胶带粘到可拉伸基底上，加热使热释放胶带失去黏性，即可在可拉伸基底上形成图形化的3层电极结构。

实施例

本实施例可拉伸柔性电子器件的结构如图1所示。其中，可拉伸基底4为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，其厚度为48μm；图形化的柔性介质/金属/柔性介质电极结构中，柔性介质为聚酰亚胺，最上层为800nm-1000nm厚的聚酰亚胺，中间金属层为80nm厚的金，最底层为800nm-1000nm厚的聚酰亚胺。

本实施例可拉伸柔性电子器件的制作方法，如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤1、在刚性基底上制作图形化的柔性介质/金属/柔性介质构成的3层电极结构：

a.选取表面粗糙度轮廓算术平均偏差Ra＝0.006～0.02、微观不平度十点高度Rz＝0.05～0.1的玻璃或石英片作为刚性基底，首先依次在酒精和丙酮溶液中清洗上述玻璃或石英片，然后将清洗后的玻璃或石英片在烘台上100℃加热2～3min，待用；

b.以质量比为1:1的比例配制聚酰亚胺和二甲基甲酰胺的混合溶液，并将混合溶液以4000r/s的转速均匀涂覆于上述处理后的玻璃或石英片上，放置于烘箱中180℃固化1h；

c.采用负胶(AZ5214)光刻方法在步骤b得到的聚酰亚胺膜上形成图形后，采用磁控溅射法在其上制备厚度为80nm的金层，然后用丙酮清洗，去除光刻胶；

d.将步骤c处理后得到的样品在质量分数为0.5％的NaOH溶液中清洗，去除多余的聚酰亚胺；

e.在步骤d得到的样品上采用甩胶机、以3000r/s的转速形成最上层的聚酰亚胺层，而后在烘箱中120℃固化20min；然后采用正胶(AZ6112)光刻方法制作图形，并用丙酮清洗，即可在石英或玻璃上形成3层结构的图形化电极；

步骤2、在步骤1得到的图形化的柔性介质/金属/柔性介质构成的3层电极结构上粘附中国微晶热释放胶带，然后将热释放胶带从刚性基底上剥离，即可将步骤1得到的图形化电极结构转移到热释放胶带上；

步骤3、可拉伸柔性电子器件的形成：

a.可拉伸基底的制备：将PDMS的A胶和B胶按照体积比为20:1的比例混合，在0.1Torr的真空环境下放置3～10min以除去气泡；然后倒入培养皿中静置24小时后，切割为2.5cm×1.5cm的大小，即可得到厚度为48μm的可拉伸基底；

b.将步骤2得到的带图形化电极结构的热释放胶带粘附于上述得到的可拉伸基底上，放入烘箱中100℃保温20min后，热释放胶带的黏性消失，然后通过机械剥离的方法去除热释放胶带，即可在可拉伸基底上得到图形化的电极，如图1所示。

进一步地，步骤1d中还可以采用质量分数为0.01％～1％的NaOH、KOH溶液或者包含四甲基氢氧化铵成分的显影液去除多余的聚酰亚胺。

进一步地，步骤3a所述可拉伸基底在制备完成后，可在紫外光下照射3-5min，以增强可拉伸基底的黏附力。

将实施例得到的可拉伸柔性电子器件从0％拉伸到10.4％，观察其应力集中情况。图5为实施例的可拉伸柔性电子器件在不同拉伸程度下的光学显微镜图像；由图5可知，实施例得到的可拉伸柔性电子器件在不同拉伸程度下的应变集中不会引起器件的断裂失效。

采用表面粗糙度轮廓算术平均偏差Ra<0.006、微观不平度十点高度Rz<0.05的玻璃片作为刚性基底，其余步骤与实施例完全相同的实验作为对比，实验中发现聚酰亚胺在该刚性基底上不易成膜，且稳定性差，不利于后期的刻蚀和转移，很难得到实施例中形成的性能优良的柔性电子器件。

采用将清洗后的玻璃直接使用、不经过100℃加热2～3min的前处理的玻璃作为刚性基底进行对比实验，发现对玻璃等刚性基底采用100℃加热2～3min的前处理能有效提升聚酰亚胺膜在刚性基底上的成膜成功率，且有利于聚酰亚胺膜的剥离。

采用硬质高透明亚克力板(有机玻璃PMMA)作为刚性基底进行对比实验，发现底层聚酰亚胺虽然能甩胶成膜，但由于亚克力板与底层聚酰亚胺黏附力太强，无法采用热释放胶带剥离下来。而如果选用硬质聚四氟乙烯板(PTFE)作为刚性基底，则底层聚酰亚胺无法在其上甩胶成膜。

综上，本发明提出的柔性电子器件的制作方法不仅简单易行，成本低，同时得到了质量好、厚度薄、性能优良的柔性电子器件，为实现柔性电子大规模工业化生产提供了一种有效的方法。